A presente pesquisa propõe analisar, avaliar e validar o uso de ensaios de aderência açoconcreto para estimativa da resistência à compressão axial do concreto in loco nas primeiras idades em canteiros de obras, como alternativa ao controle de qualidade tradicional. Alguns pesquisadores propuseram a utilização de um ensaio de aderência modificado, que denominaram Appropriate Pull-Out Test (APULOT), como uma adaptação do método pullout test (POT) tradicional, normalizado pela norma EN12504-3. Para viabilizar o uso do ensaio APULOT como ensaio que possa ser implementado na prática do controle tecnológico do concreto em canteiros de obras e seja representativo da resistência in loco é necessário definir um padrão para o mesmo. O presente trabalho desenvolveu um molde específico para o ensaio, analisou a influência do processo da cura nos resultados da tensão máxima de aderência, estudou como a medição da maturidade no concreto pôde auxiliar na determinação do momento certo para fazer o ensaio de arrancamento e comparou resultados dos ensaios feitos em corpos de prova para teste de aderência com ensaios de arrancamento de barras de aço em painéis de concreto. Para tanto foram feitos nove concretagens empregando diferentes tamanhos e configurações de corpos de prova, ensaios de arrancamento, extrações de testemunhos de painéis de concreto, ensaios à compressão simples e medições de maturidade dos concretos empregados. Também se realizaram registros de temperatura ambiente e velocidade do vento na vizinhança dos painéis, buscando estabelecer relações entre a maturidade e as condições ambientais do canteiro. Os ensaios descritos anteriormente realizaram-se às idades de 3, 5, 7 e 28 dias. Os resultados obtidos mostram que, sob condições padronizadas de ensaio, existe ótima correlação entre a tensão máxima de aderência e a resistência à compressão do concreto e por tanto o ensaio de aderência pode ser utilizado para fazer uma estimativa da resistência à compressão do concreto in loco nas primeiras idades. / This research aims to analyze, evaluate and validate the use of steel-concrete bond tests to estimate the axial compression strength of in situ concrete at early ages on construction sites, as alternative to conventional strength control tests. Some researchers have proposed the use of a modified bond test, named Appropriate Pull-Out Test (APULOT), as an adaptation of the traditional pull-out test method (POT) standardized by the EN12504-3. To implement the APULOT as a strength control procedure for concrete on construction site, standardization is needed. This study developed a specific mold for the test; analyzed the influence of curing process on the results of the maximum bond stress; studied how measuring the maturity in the concrete could help to determine when is the right time to make the pull-out test; compared results of tests made on cores for testing the bond and pull-out tests on steel bars in concrete panels. Therefore, it have been made nine concrete events, pull-out tests using different sizes and configurations of cylindrical concret specimen, pull-out tests and extraction of cores from concrete panels, compressive test and maturity measurements of specific employees. Also, temperature and wind speed records have been performed in the panel´s sourrundings, seeking to establish relationships between maturity and ambiental conditions on construction site. The tests described above were carried out at 3, 5, 7 and 28 days. The results show that, under standardized test conditions, a correlation between the maximum bond stress and the concrete compression strength exists, and therefore, bond test can be used to estimate the in situ compression strength of the concrete in the first ages.

Com a crescente utilização de vigas mistas de aço e concreto em obras civis e devido à insuficiência de estudos relativos ao seu comportamento estrutural, investigações aprofundadas são necessárias para suprir as carências e aperfeiçoar o tema. Um fenômeno familiar na literatura de estruturas mistas é a distribuição não uniforme de tensões ao longo da largura da laje de concreto, denominado shear lag na literatura inglesa. Na análise e projeto de estruturas compostas, deflexões, tensões e resistência são tipicamente obtidas utilizando-se o conceito de largura efetiva, na qual o efeito shear lag é contabilizado indiretamente, substituindo a largura real da laje, por uma largura apropriadamente reduzida. Sem dispor de análises numéricas exatas para o dimensionamento prático, é necessário que códigos normativos forneçam métodos simplificados para a avaliação da largura efetiva minimizando perdas de precisão. Diante disso, no presente trabalho, procedimentos numéricos para a avaliação da largura efetiva, encontrados na literatura técnica, foram estudados e implementados ao modelo matemático em elementos finitos disponível no CEMACOM/PPGEC/UFRGS, capaz de representar com confiabilidade estruturas mistas. Comprovando-se a eficácia do modelo numérico em captar o efeito do shear lag, a resposta de uma viga mista biengastada, representando um vão intermediário de uma ponte contínua, submetida a um carregamento em longo prazo, e considerando-se os fenômenos reológicos do concreto de fluência e retração, além do comportamento não-linear devido a fissuração, é obtida e comparada à fórmulas estipuladas nas principais normas de projeto e em metodologias desenvolvidas por pesquisadores. Falhas potenciais nos códigos de projeto atuais foram evidenciadas, necessitando-se de adicionais estudos paramétricos experimentais e numéricos para a comprovação dos resultados. / With the increasing use of steel-concrete composite beams in bridges and buildings more investigations related to this topic are necessary to fill the needs and improve the subject. A familiar phenomenon in the literature of composite structures is the non-uniform distribution of stresses along the width of the concrete slab, called shear lag. In the analysis and design of composite beams, deflections, stresses, and strengths are typically obtained by utilizing the concept of effective width, in which shear lag effects are accounted for indirectly, by replacing the actual slab width by an appropriately reduced width. Without having exact numerical analysis for design, it is necessary that the design codes provide simplified methods for evaluating this effective width, minimizing losses of accuracy. In this work, numerical procedures for the evaluation of effective width, found in the specialized literature, were studied and implemented in the mathematical finite element model available in CEMACOM/PPGEC/UFRGS. This computational code is capable of representing the behavior of steel-concrete composite beams and is capable of capturing the shear lag effect. The response of a single span composite beam with fixed ends, representing an intermediate span of a continuous girder bridge, subject to long-term loading, and considering both rheological phenomena of concrete, such as creep and shrinkage, besides the non-linear behavior due to cracking, is obtained and compared to the stipulated formulas in the main code provisions and in the developed methodologies by some researchers. Potential failures in the current design codes were evidenced, requiring additional experimental and numerical parametric studies to prove the results.

This thesis presents the results of a research study to investigate the behaviour of axially restrained composite beams at ambient and elevated temperatures, and how composite beams and their connections contribute to the robustness of composite framed structures in fire. The commercial finite element analysis package (ABAQUS, 2010) was used to develop the numerical simulation models. This research includes the following four main parts: (1) validation of the simulation model; (2) behaviour of axially restrained composite beams with partial shear interaction at ambient and elevated temperatures; (3) behaviour of composite beams with realistic connections at elevated temperatures and methods of increasing composite beam survival temperatures; and (4) response and robustness of composite frame structures with different extents of damage at elevated temperatures. Based on the results of composite beams, it was found that the survival of axially restrained beams is dominated by the development of catenary action. By utilising catenary action, it is possible for composite beams to develop load carrying capacity significantly above that based on bending resistance. During the development of catenary action, the compression force in the concrete flange of the composite beam decreases, thus reducing the forces in the shear connectors. As a result, the behaviour of shear connector failures ceases to be an issue during the catenary action stage. The results further show that, the load carrying capacities/survival temperatures of composite beams increase by increasing the level of axial restraint up to a certain limit and then decrease at higher levels. Typical realistic composite structures can provide composite beams with sufficient axial restraint to develop catenary action. For detailed composite beams with composite connections, three different beam sizes were investigated using flushed and extended end plate connections with different amounts of slab reinforcement, different load ratios and different bolt sizes. It has been found that the most important method to increase the survival time of composite beams is to use extended end plate connections with sufficient top and bottom reinforcement meshes in the concrete slab, i.e. increasing the amount of slab reinforcement is more beneficial than increasing the bolt size or the number of bolts. Based on the results of modelling a four bay (9 m each, two storey, 4 m high) composite frame with different extents of fire damage to different members, it was found that whenever any of the columns failed, progressive collapse of the frame would occur. Therefore, damages to columns should be prevented or the columns should be designed and constructed to allow for possible damage. If the beams are damaged, it is still possible for the damaged frame to achieve the reference fire resistance time of the undamaged structure (which is used as the criterion to accept that the damaged frame has sufficient robustness) by developing catenary action in the damaged beam. For this to happen, the columns should be designed to resist the catenary tensile force (tying force) in the beams, in addition to the compressive force.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido muito empregadas em obras civis de pequeno e grande porte. O emprego em conjunto de vigas de aço e lajes de concreto armado visa explorar as melhores características de cada um dos elementos, gerando uma solução estrutural econômica e eficiente. Os conectores de cisalhamento, que são os dispositivos de união desses elementos, permitem a transferência do esforço cortante ao longo da estrutura. O presente trabalho trata-se de uma continuação do estudo realizado por Tamayo (2011), o qual desenvolveu um código computacional em linguagem Fortran 90, utilizando o método dos elementos finitos, que é capaz de representar estruturas de vigas mistas em análises de curta duração. A teoria da plasticidade associada com um algoritmo de retorno explícito para o concreto e aço foi empregada em um procedimento incremental iterativo. O presente trabalho visa incluir a análise de serviço no código elasto-plástico, ou seja, a consideração dos efeitos de longa duração que interferem na distribuição de tensões e deformações da estrutura. A teoria da solidificação proposta por Bazant e Prasannan (1988) foi empregada para analisar os efeitos devido à fluência do concreto. Para o cálculo da fluência empregou-se um modelo reológico baseado na cadeia de Kelvin em série. Usando conceitos da série de Dirichlet, os parâmetros desta cadeia foram obtidos através de uma aproximação por mínimos quadrados. Em conjunto com a teoria da solidificação, os modelos de fluência e retração, propostos pelo Comité Euro-International du Béton (1990), foram utilizados. O amolecimento do concreto foi adicionado ao modelo computacional. Para os conectores de cisalhamento foi testada uma nova formulação empregando uma rigidez secante. As tarefas de pré e pós processamento foram realizadas através do software GiD que auxiliou nas etapas de geração da geometria e malha de elementos finitos, confecção de arquivo de entrada, e visualização dos resultados. Exemplos testados experimentalmente foram empregados para validação do modelo numérico proposto. / Steel-concrete composite beams have been widely applied to both small and large civil works. The combined use of steel beams and reinforced concrete slabs aims to explore the best features of each one, creating an efficient structural solution with low cost. The shear connectors are the device joining the steel beam and concrete slab, allowing the transfer of shear along the structure. This work follows the research of Tamayo (2011) who developed a program in Fortran 90 language, using the finite element method, capable of representing composite beam structures in short time analyzes. The associated theory of plasticity with an explicit return algorithm for concrete and steel was used in an incremental iterative procedure. This study aims to include the service analysis into the code, which means to account for long-term effects that influence the stress and strain distribution in the structure. The solidification theory proposed by Bazant and Prasannan (1988) was used to examine the creep effects of concrete. For the creep calculation, a rheological model based on the Kelvin chain in series was employed. Using concepts of Dirichlet series, the chain parameters were obtained through a least squares approximation. Together with the solidification theory, the creep and shrinkage models proposed by the Comité Euro-International du Béton (1990) were used. The concrete softening was added to the computational model. A new formulation using secant stiffness was tested for the shear connectors modeling. The pre and post processing tasks were performed using the GiD software, which was used for geometry and finite element mesh generation, input file writing, and results viewing. Specimens tested experimentally were used for the validation of the proposed numerical model.

Com a crescente utilização de vigas mistas de aço e concreto em obras civis e devido à insuficiência de estudos relativos ao seu comportamento estrutural, investigações aprofundadas são necessárias para suprir as carências e aperfeiçoar o tema. Um fenômeno familiar na literatura de estruturas mistas é a distribuição não uniforme de tensões ao longo da largura da laje de concreto, denominado shear lag na literatura inglesa. Na análise e projeto de estruturas compostas, deflexões, tensões e resistência são tipicamente obtidas utilizando-se o conceito de largura efetiva, na qual o efeito shear lag é contabilizado indiretamente, substituindo a largura real da laje, por uma largura apropriadamente reduzida. Sem dispor de análises numéricas exatas para o dimensionamento prático, é necessário que códigos normativos forneçam métodos simplificados para a avaliação da largura efetiva minimizando perdas de precisão. Diante disso, no presente trabalho, procedimentos numéricos para a avaliação da largura efetiva, encontrados na literatura técnica, foram estudados e implementados ao modelo matemático em elementos finitos disponível no CEMACOM/PPGEC/UFRGS, capaz de representar com confiabilidade estruturas mistas. Comprovando-se a eficácia do modelo numérico em captar o efeito do shear lag, a resposta de uma viga mista biengastada, representando um vão intermediário de uma ponte contínua, submetida a um carregamento em longo prazo, e considerando-se os fenômenos reológicos do concreto de fluência e retração, além do comportamento não-linear devido a fissuração, é obtida e comparada à fórmulas estipuladas nas principais normas de projeto e em metodologias desenvolvidas por pesquisadores. Falhas potenciais nos códigos de projeto atuais foram evidenciadas, necessitando-se de adicionais estudos paramétricos experimentais e numéricos para a comprovação dos resultados. / With the increasing use of steel-concrete composite beams in bridges and buildings more investigations related to this topic are necessary to fill the needs and improve the subject. A familiar phenomenon in the literature of composite structures is the non-uniform distribution of stresses along the width of the concrete slab, called shear lag. In the analysis and design of composite beams, deflections, stresses, and strengths are typically obtained by utilizing the concept of effective width, in which shear lag effects are accounted for indirectly, by replacing the actual slab width by an appropriately reduced width. Without having exact numerical analysis for design, it is necessary that the design codes provide simplified methods for evaluating this effective width, minimizing losses of accuracy. In this work, numerical procedures for the evaluation of effective width, found in the specialized literature, were studied and implemented in the mathematical finite element model available in CEMACOM/PPGEC/UFRGS. This computational code is capable of representing the behavior of steel-concrete composite beams and is capable of capturing the shear lag effect. The response of a single span composite beam with fixed ends, representing an intermediate span of a continuous girder bridge, subject to long-term loading, and considering both rheological phenomena of concrete, such as creep and shrinkage, besides the non-linear behavior due to cracking, is obtained and compared to the stipulated formulas in the main code provisions and in the developed methodologies by some researchers. Potential failures in the current design codes were evidenced, requiring additional experimental and numerical parametric studies to prove the results.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido muito empregadas em obras civis de pequeno e grande porte. O emprego em conjunto de vigas de aço e lajes de concreto armado visa explorar as melhores características de cada um dos elementos, gerando uma solução estrutural econômica e eficiente. Os conectores de cisalhamento, que são os dispositivos de união desses elementos, permitem a transferência do esforço cortante ao longo da estrutura. O presente trabalho trata-se de uma continuação do estudo realizado por Tamayo (2011), o qual desenvolveu um código computacional em linguagem Fortran 90, utilizando o método dos elementos finitos, que é capaz de representar estruturas de vigas mistas em análises de curta duração. A teoria da plasticidade associada com um algoritmo de retorno explícito para o concreto e aço foi empregada em um procedimento incremental iterativo. O presente trabalho visa incluir a análise de serviço no código elasto-plástico, ou seja, a consideração dos efeitos de longa duração que interferem na distribuição de tensões e deformações da estrutura. A teoria da solidificação proposta por Bazant e Prasannan (1988) foi empregada para analisar os efeitos devido à fluência do concreto. Para o cálculo da fluência empregou-se um modelo reológico baseado na cadeia de Kelvin em série. Usando conceitos da série de Dirichlet, os parâmetros desta cadeia foram obtidos através de uma aproximação por mínimos quadrados. Em conjunto com a teoria da solidificação, os modelos de fluência e retração, propostos pelo Comité Euro-International du Béton (1990), foram utilizados. O amolecimento do concreto foi adicionado ao modelo computacional. Para os conectores de cisalhamento foi testada uma nova formulação empregando uma rigidez secante. As tarefas de pré e pós processamento foram realizadas através do software GiD que auxiliou nas etapas de geração da geometria e malha de elementos finitos, confecção de arquivo de entrada, e visualização dos resultados. Exemplos testados experimentalmente foram empregados para validação do modelo numérico proposto. / Steel-concrete composite beams have been widely applied to both small and large civil works. The combined use of steel beams and reinforced concrete slabs aims to explore the best features of each one, creating an efficient structural solution with low cost. The shear connectors are the device joining the steel beam and concrete slab, allowing the transfer of shear along the structure. This work follows the research of Tamayo (2011) who developed a program in Fortran 90 language, using the finite element method, capable of representing composite beam structures in short time analyzes. The associated theory of plasticity with an explicit return algorithm for concrete and steel was used in an incremental iterative procedure. This study aims to include the service analysis into the code, which means to account for long-term effects that influence the stress and strain distribution in the structure. The solidification theory proposed by Bazant and Prasannan (1988) was used to examine the creep effects of concrete. For the creep calculation, a rheological model based on the Kelvin chain in series was employed. Using concepts of Dirichlet series, the chain parameters were obtained through a least squares approximation. Together with the solidification theory, the creep and shrinkage models proposed by the Comité Euro-International du Béton (1990) were used. The concrete softening was added to the computational model. A new formulation using secant stiffness was tested for the shear connectors modeling. The pre and post processing tasks were performed using the GiD software, which was used for geometry and finite element mesh generation, input file writing, and results viewing. Specimens tested experimentally were used for the validation of the proposed numerical model.

A presente pesquisa propõe analisar, avaliar e validar o uso de ensaios de aderência açoconcreto para estimativa da resistência à compressão axial do concreto in loco nas primeiras idades em canteiros de obras, como alternativa ao controle de qualidade tradicional. Alguns pesquisadores propuseram a utilização de um ensaio de aderência modificado, que denominaram Appropriate Pull-Out Test (APULOT), como uma adaptação do método pullout test (POT) tradicional, normalizado pela norma EN12504-3. Para viabilizar o uso do ensaio APULOT como ensaio que possa ser implementado na prática do controle tecnológico do concreto em canteiros de obras e seja representativo da resistência in loco é necessário definir um padrão para o mesmo. O presente trabalho desenvolveu um molde específico para o ensaio, analisou a influência do processo da cura nos resultados da tensão máxima de aderência, estudou como a medição da maturidade no concreto pôde auxiliar na determinação do momento certo para fazer o ensaio de arrancamento e comparou resultados dos ensaios feitos em corpos de prova para teste de aderência com ensaios de arrancamento de barras de aço em painéis de concreto. Para tanto foram feitos nove concretagens empregando diferentes tamanhos e configurações de corpos de prova, ensaios de arrancamento, extrações de testemunhos de painéis de concreto, ensaios à compressão simples e medições de maturidade dos concretos empregados. Também se realizaram registros de temperatura ambiente e velocidade do vento na vizinhança dos painéis, buscando estabelecer relações entre a maturidade e as condições ambientais do canteiro. Os ensaios descritos anteriormente realizaram-se às idades de 3, 5, 7 e 28 dias. Os resultados obtidos mostram que, sob condições padronizadas de ensaio, existe ótima correlação entre a tensão máxima de aderência e a resistência à compressão do concreto e por tanto o ensaio de aderência pode ser utilizado para fazer uma estimativa da resistência à compressão do concreto in loco nas primeiras idades. / This research aims to analyze, evaluate and validate the use of steel-concrete bond tests to estimate the axial compression strength of in situ concrete at early ages on construction sites, as alternative to conventional strength control tests. Some researchers have proposed the use of a modified bond test, named Appropriate Pull-Out Test (APULOT), as an adaptation of the traditional pull-out test method (POT) standardized by the EN12504-3. To implement the APULOT as a strength control procedure for concrete on construction site, standardization is needed. This study developed a specific mold for the test; analyzed the influence of curing process on the results of the maximum bond stress; studied how measuring the maturity in the concrete could help to determine when is the right time to make the pull-out test; compared results of tests made on cores for testing the bond and pull-out tests on steel bars in concrete panels. Therefore, it have been made nine concrete events, pull-out tests using different sizes and configurations of cylindrical concret specimen, pull-out tests and extraction of cores from concrete panels, compressive test and maturity measurements of specific employees. Also, temperature and wind speed records have been performed in the panel´s sourrundings, seeking to establish relationships between maturity and ambiental conditions on construction site. The tests described above were carried out at 3, 5, 7 and 28 days. The results show that, under standardized test conditions, a correlation between the maximum bond stress and the concrete compression strength exists, and therefore, bond test can be used to estimate the in situ compression strength of the concrete in the first ages.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido muito empregadas em obras civis de pequeno e grande porte. O emprego em conjunto de vigas de aço e lajes de concreto armado visa explorar as melhores características de cada um dos elementos, gerando uma solução estrutural econômica e eficiente. Os conectores de cisalhamento, que são os dispositivos de união desses elementos, permitem a transferência do esforço cortante ao longo da estrutura. O presente trabalho trata-se de uma continuação do estudo realizado por Tamayo (2011), o qual desenvolveu um código computacional em linguagem Fortran 90, utilizando o método dos elementos finitos, que é capaz de representar estruturas de vigas mistas em análises de curta duração. A teoria da plasticidade associada com um algoritmo de retorno explícito para o concreto e aço foi empregada em um procedimento incremental iterativo. O presente trabalho visa incluir a análise de serviço no código elasto-plástico, ou seja, a consideração dos efeitos de longa duração que interferem na distribuição de tensões e deformações da estrutura. A teoria da solidificação proposta por Bazant e Prasannan (1988) foi empregada para analisar os efeitos devido à fluência do concreto. Para o cálculo da fluência empregou-se um modelo reológico baseado na cadeia de Kelvin em série. Usando conceitos da série de Dirichlet, os parâmetros desta cadeia foram obtidos através de uma aproximação por mínimos quadrados. Em conjunto com a teoria da solidificação, os modelos de fluência e retração, propostos pelo Comité Euro-International du Béton (1990), foram utilizados. O amolecimento do concreto foi adicionado ao modelo computacional. Para os conectores de cisalhamento foi testada uma nova formulação empregando uma rigidez secante. As tarefas de pré e pós processamento foram realizadas através do software GiD que auxiliou nas etapas de geração da geometria e malha de elementos finitos, confecção de arquivo de entrada, e visualização dos resultados. Exemplos testados experimentalmente foram empregados para validação do modelo numérico proposto. / Steel-concrete composite beams have been widely applied to both small and large civil works. The combined use of steel beams and reinforced concrete slabs aims to explore the best features of each one, creating an efficient structural solution with low cost. The shear connectors are the device joining the steel beam and concrete slab, allowing the transfer of shear along the structure. This work follows the research of Tamayo (2011) who developed a program in Fortran 90 language, using the finite element method, capable of representing composite beam structures in short time analyzes. The associated theory of plasticity with an explicit return algorithm for concrete and steel was used in an incremental iterative procedure. This study aims to include the service analysis into the code, which means to account for long-term effects that influence the stress and strain distribution in the structure. The solidification theory proposed by Bazant and Prasannan (1988) was used to examine the creep effects of concrete. For the creep calculation, a rheological model based on the Kelvin chain in series was employed. Using concepts of Dirichlet series, the chain parameters were obtained through a least squares approximation. Together with the solidification theory, the creep and shrinkage models proposed by the Comité Euro-International du Béton (1990) were used. The concrete softening was added to the computational model. A new formulation using secant stiffness was tested for the shear connectors modeling. The pre and post processing tasks were performed using the GiD software, which was used for geometry and finite element mesh generation, input file writing, and results viewing. Specimens tested experimentally were used for the validation of the proposed numerical model.

This paper is concerned with the behaviour of beam ¿ column connections of steel ¿ concrete composite beams with precast hollow core slabs. Experiments were carried out to investigate the joint rotation characteristics and ultimate moment capacity of these connections. Details of the test specimens, instrumentation, test set-up and test procedures are described. Results obtained for the connection moment capacity, rotation capacity and failure modes are presented. It is found that through proper design and detailing, these simple steel connections display the characteristics of a semi-rigid connection with very little extra cost.

No abstract is provided. / Thesis / Master of Engineering (MEngr) / Scope and contents: In this report, a method for calculating the longitudinal shear capacity of the slab of simply-supported steel-concrete composite beams is presented. The method is based on analysing the stresses at failure of the concrete elements located at the slab shear surface. In this analysis, the slab width and the shear span are found to be two main parameters that have been neglected in the empirical solutions previously adopted.